高温分离循环流化床锅炉低氮燃烧改造小结
2022-12-20舒晓
舒 晓
(重庆索特盐化股份有限公司,重庆 万州 404000)
1 项目背景
我公司现有的4#锅炉为无锡华光锅炉股份有限公司生产的UG-130/9.8-M型锅炉,于2009年正式建成投运。该炉型为早期设计制造的产品,当时国家对氮氧化物排放指标还未严格控制,因此设计之初,主要考虑的是热效率,故床温设计选取普遍较高,达到950 ℃以上。在锅炉运行时,随着床温的升高,为了防止高温结焦,相应的一次风的给风量非常大,氧量普遍控制在6%~8%之间,炉膛下部燃烧充分,炉膛内部上下温差较大,氮氧化物原始排放浓度高,达到200 mg/Nm3左右。
随着国家环保要求的愈发严格,超低排放乃至净零排放已经成了发展的必然趋势,经过对类似锅炉运行的考察学习后,我公司决定对4#锅炉进行低氮燃烧改造,降低氮氧化物原始排放量,同步对4#锅炉进行大修,以保证锅炉的使用功能。
2 氮氧化物生成的影响因素
燃料在燃烧过程中生成氮氧化物,主要有三种类型:热力型、快速型和燃料型。其中,热力型氮氧化物为空气中的N2在高温下氧化而生成的;快速型氮氧化物为空气中的N2和燃料中的碳氢离子团反应生成的,此种氮氧化物含量较少;燃料型氮氧化物为燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化生成的。循环流化床锅炉炉膛温度控制在850~950 ℃,最高不允许超过990 ℃,对三种类型的反应机理分析可以得出,锅炉燃料在燃烧过程中生成的氮氧化物里,快速型氮氧化物基本可以忽略,热力型氮氧化物占总排放的10%以下,燃料型氮氧化物为主要产物。而影响燃料型氮氧化物生成的因素很多,主要存在以下几个方面:
1)燃烧温度的影响:
燃烧温度对氮氧化物生成是有影响的,随着温度的升高,氮氧化物会逐步增加。当温度达到1 500 ℃以上时,热力型氮氧化物会大量增加,此时生成的氮氧化物将占生成总量的15%~25%。而循环流化床锅炉温度区间远低于1 500 ℃,在这种工况下,燃烧温度对氮氧化物有影响,但并不是很大。
2)过量空气系数及一、二次风率的影响:
在燃烧过程中,贫氧条件下,燃料中的碳会反应生成CO,将燃烧生成的氮氧化物还原成N2,同时未燃尽的碳也会抑制氮氧化物的生成。在富氧条件下,含氮化合物就会和充足的氧进行反应,生成大量的氮氧化物。因此要调整一、二次风的配比。减小一次风率,降低过量空气系数,同时增加二次风率,以保证燃料在炉膛上部二次风处燃尽,保证燃烧效率。
减小一次风率,使密相区为还原性气氛,抑制氮氧化物生成;同时密相区流化风速减小,气体及燃料颗粒停留时间延长,可以抑制氮氧化物的的生成。另提高二次风率,增强了二次风穿透能力,加强了稀相区的气固混合,可降低飞灰含碳量,保证燃烧效率。
3)燃料的影响:
主要是煤炭的种类和煤炭粒径的影响。理论上煤的挥发分和含氮量越高,氮氧化物生成量越多。煤炭颗粒越细,燃烧速率越高,炭粒表面还原气氛增强,能抑制燃烧中氮氧化物的生成,但太细却会增大燃料飞灰损失,故在燃料种类无法改变的情况,应尽量达到燃料颗粒度设计要求。
3 改造内容
根据上述对氮氧化物生成影响因素的分析,针对性的对4#锅炉进行了以下改造:
1)增加水冷屏:在炉膛内布置2片“水冷屏”,每片15排管,节距 80 mm,宽度1.2 m,高度约18 m。水冷屏采用吊杆固定在顶板下,上部与锅炉汽包相连,下部与集中下降管相连,水冷屏为蒸发受热面,可以有效地吸收炉膛内的热量,达到降低床温的目的。
2)更换屏式过热器:由于床温降低后,势必会影响主汽温度,为了保证主汽温度,需增加过热器换热面积。加上之前的屏式过热器已变形严重,无法拼接利旧,故本次改造决定整体更换屏式过热器,将炉膛内3片过热屏全部更换,由16排管加宽到23排管,节距60 mm,宽度1.38 m,高度维持不变,以增大换热面积。
3)燃烧装置优化:现有布风板的横断面为7 330×2 800 mm,低氮改造将一次风比例由60%调整到50%后,布风板面积明显偏大。因此将布风板进行整体更换后,在布风板前墙、后墙采用耐磨浇注料加厚,缩小布风板面积,并在其上均匀开孔布置风帽。一次风通过这些风帽均匀进入炉膛,流化床料。风帽采用新型低氮燃烧风帽,风帽横向、纵向节距由160 mm改为170 mm,风帽数量由747个减少为660个。这样改造可以减少流化风量,从而降低氮氧化物的生成,减少原始排放量。
4)分离器及返料装置:原分离器进口烟气流速设计为22 m/s,根据气流动态模似研究发现,当分离器进口烟气流速提高到25 m/s左右时,分离器分离效率可从99%提高到99.5%,分离器分离效率提高后,可增加炉膛灰浓度,有效降低床温,从而降低氧量。本次改造,分离器主体不动,将分离器进口烟道宽度由1 050 mm缩小到950 mm。分离器下部的立管至返料腿全部拆掉,采用最新型返料装置,立管直径缩小至φ580,以防止循环灰反窜,返料口标高由7 600 mm下降至6 855 mm,且两个返料口向炉中心线都移动400 mm,以适应低料层运行方式,中间冷渣器放灰,两侧冷渣器放渣。
5)一、二次风系统: 改变一、二次风比例,由原来的60%/40%改为50%/50%,即加大二次风量,减少一次风量,以强化循环床锅炉分级燃烧的强度。二次风喷口由原上下各8个,改为上二次风喷口13个(其中前墙6个后墙7个)、下二次风喷口4个(前后墙各2个)。同步增加二次风风管直径,以减少风管阻力,风管的标高保持不变。
6)同步新增碎煤机,保证入炉煤粒度达到低氮改造设计要求。
4 改造前后数据对比
4#锅炉进行低氮改造以后,需维持一个低料层、低床温、低氧量的运行状态。在调试运行阶段,经过大量摸索,我们得到了下列对比数据,以供参考。
表1 4#锅炉运行参数
5 总 结
4#炉进行低氮改造以后,至今已运行1年有余,运行较为稳定。风室压力一般维持在7~8 kPa,整个炉膛温度场分布均匀,整体控制在880 ℃左右,低温过热器出口处氧量由6%左右降低至3.5%~4%,氮氧化物排放量可以控制在100 mg/Nm3以内,基本达到了改造预期排放效果。但是,锅炉在实际运行过程中,仍有以下问题需考虑进一步优化:
1)按现有的实际配套风机,一、二次风机余量足够,采用风门调节的话,损失较大。建议对一、二次风机进行变频调节改造,以达到节电的目的。
2)低氮燃烧改造以后,灰分量相应的增加,经过旋风分离器分离后的细灰粘度增大,附着在锅炉尾部受热面上,会造成排烟温度升高,严重影响锅炉的热效率。因此在低氮改造时,要综合考虑增设吹灰系统,以保证吹灰效果。
综上所述,循环流化床低氮燃烧改造,是一个比较成熟的技术,可以很好的控制氮氧化物的原始排放量。结合风机变频调节改造,完全可以达到节能减排的目的,尤其适合老旧锅炉的改造。但在进行初始低氮改造设计时,要充分考虑对后续受热面积灰的影响,并配套对碎煤系统进行优化改造,否则改造效果会大打折扣。